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為什麼觀察會影響雙縫幹涉實驗

圖文 更新时间:2025-01-29 03:27:52

想必很多人在中學時期,都曾接觸過很多有意思的物理實驗,雖然有些物理實驗在當時看上去并沒有什麼,但是如果回過頭來往深了考慮。這些實驗中隐藏的“玄機”,遠比我們想象中都更多。

其中,著名的電子雙縫幹涉實驗就是最為典型的一個例子,甚至說,這個實驗的存在,還讓無數科學家莫名感到詭異!為什麼會這麼說呢?電子雙縫幹涉實驗的詭異之處,到底又在哪呢?

為什麼觀察會影響雙縫幹涉實驗(為什麼說雙縫幹涉實驗可怕)1

中學時期,我們所了解到的雙縫幹涉實驗,是最基礎的“光的波粒二象性”實驗。實驗内容是将平行的單色光,投射到一個擁有兩條距離相近的狹縫的擋闆上,當平行的單色光照射在擋闆上時,我們便會發現一個神奇的現象。透過兩條狹縫的光源,此時會因為相互之間的幹涉,而相互疊加變成數條平行的光。這也就是我們所說的雙縫幹涉現象了。

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這個實驗證實了光是具有波動性的,而這項簡單實驗的物理學原理則是波的幹涉。為了讓大家對波的幹涉有一個更好的理解,在這裡,我們舉個生活中類似的最常見的例子,如果我們在平靜的水面上,同時投下兩塊石頭,兩塊石頭激起的漣漪,在相互碰到之後,也會因為彼此之間的幹涉,而相互疊加變成更多微小的漣漪

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看到這裡,似乎我們并不能從電子雙縫幹涉實驗裡,察覺出什麼異常,這就是一個簡簡單單的物理實驗而已。起初,進行此項實驗的科學家也同樣如此,覺得這項實驗并不存在什麼特殊的地方,但是随着實驗的不斷深入,詭異的現象的确發生了。這到底是怎麼回事呢?

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通過簡單的雙縫幹涉實驗,科學家證實了光是具有波動性的,而再将這樣的結論推廣開來,則可以得知不僅光是具有波動性的,就連微觀世界的質子、電子和其它基本粒子,也同樣都是具有這種特性的,它們既是一種粒子也是一種波。

而為了對微觀世界粒子的這種特性進行驗證,科學家則又選定了更容易觀察的電子,來進行更進一步的實驗,而這一實驗也就是開始提到的,著名的電子雙縫幹涉實驗了。

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跟普通的雙縫幹涉實驗一樣,科學家用電子束射向擋闆後,後面同樣出現了若幹條幹涉條紋。出現這一現象的原因,可能是若幹電子之間的互相幹涉所緻。但是,當科學家采用單個電子射向擋闆時,這項實驗卻也依然得到了相同的結果。對此,科學家的解釋是,電子跟光一樣,同樣也具有波粒二象性的特征,所以實驗中發出的單個電子,是以波的形式同時穿過了雙縫,自己和自己幹涉後,才形成了屏幕上的兩條不同的條紋。

出于好奇電子是如何同時穿過的雙縫,科學家于是決定用探測器,對它穿過雙縫的過程進行更進一步的觀察。然而,在觀察的過程中,詭異的事情卻發生了。

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原本應該穿過雙縫,在屏幕上形成兩條條紋的電子,在有探測器的觀測的條件下,竟然意外地隻穿過了一條縫,而屏幕上也僅能看到一條條紋。起初他還以為,可能是實驗器材出現了故障,但經過了多次的重複實驗之後,卻發現并不是實驗器材的問題。

問題的本身,其實出在電子的身上,它就像擁有了自己的“意識”一樣,隻要發現被觀察了,便不會通過雙縫,而隻要不被觀察,則又會通過雙縫!如此詭異的實驗結果,無疑讓科學家大跌眼鏡。那麼,為什麼會出現這樣的現象呢?

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事實上,這個問題又回到了薛定谔那隻“死了又活着的貓”上,我們隻要不去打開容器,這隻貓就有一半活着的概率,但是我們隻要一打開容器,裡面的貓必然會立刻死去。要想确定它究竟是死的還是活的,可能最好的辦法就是等上一段時間,确定它已經被餓死後,再去定義它的死活了。

但是現在卻存在這樣一個限制條件,必須在它可能活着的時候來定義,這樣一來,我們便徹底束手無策了。薛定谔的貓反映在微觀世界裡,就是量子的疊加原理,這使得我們永遠無法預知一個微觀粒子未來的狀态。正如愛因斯坦說的那樣,上帝不玩骰子,但是量子力學讓我們不得不相信,上帝似乎是玩骰子的

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電子雙縫幹涉實驗也同樣如此,通過雙縫的單個電子,跟疊加态的量子一樣,跟薛定谔的貓也一樣,它是一個電子,但它同樣也可能不是“一個電子”。比起科學來說,這樣的實驗結果似乎擁有更濃的哲學味道,但事實卻是如此。

至于其中最根本的原理是什麼,誰也不知道,但我們能夠得出一個啟示,我們所看到的一切,未必就是真實的,未來的一切或許也并非命中注定的安排,而是綜合了一切因素之後,上帝玩骰子擲出的随機結果。但事實,究竟是怎樣的呢?

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